適用于深海的電動缸設計

潘 平

(華中光電技術研究所 武漢光電國家實驗室，湖北 武漢 430223)

0 引 言

電動缸是一種提供直線運動及推力的執行元件，其工作原理是將電機的旋轉運動通過絲杠轉變為螺母推桿的直線往返運動[1]。與傳統的液壓缸相比，電動缸作為機電一體化產品，具有精度高、傳動效率高、協調性好、響應速度快、適應性強、易于維護、保養等優點；由電機驅動器控制，不會因為液壓油的滲漏對環境造成影響；便于控制系統的網絡化、數字化和集成化發展[2]。

取代液壓缸將電動缸應用于深海環境，電動缸的設計需要解決一些適應性問題。深海水壓會對電動缸推桿施加很大的壓力，電動缸需要具備自鎖功能，以滿足在不帶電工作時，電動缸能保持當前狀態。電動缸推桿在深海環境往復運動，需要著重考慮推桿動密封的性能，一旦海水進入，電氣部分失效將直接導致電動缸失效，因此，密封的可靠性也非常重要。另外，電動缸使用環境空間狹小，但材料強度需要滿足深海水壓要求，不能影響內部運動機構以及電氣元件，所以，電動缸外殼設計強度校核相對重要。

1 電動缸自鎖

自鎖是指當物體滿足一定條件時，無論施以多大的力都不可能讓它與另一個物體之間發生相對運動的現象。設計過程中，自鎖可以通過控制角度、控制摩擦因數、控制彈力等方式來實現[3]。作用于物體的主動力的合力的作用線在摩擦角之內，物體保持靜止，這種與力大小無關而與摩擦角有關的平衡條件稱為自鎖條件，物體在這種條件下的平衡現象稱為自鎖現象。

電動缸采用螺旋絲杠傳動機構將電機旋轉運動轉換為推桿的直線運動，電動缸的自鎖可以通過從電機減速裝置或絲桿傳動裝置的自鎖實現。蝸輪和蝸桿機構與行星齒輪機構是具備自鎖功能的常見減速裝置。絲桿傳動主要有滑動絲桿傳動、滾珠絲杠傳動等[4]。

蝸輪和蝸桿機構以蝸輪為主動件時，當蝸桿的導程角α小于蝸輪作用在蝸桿上的摩擦角β時，蝸輪和蝸桿機構將會發生自鎖。摩擦角β不但與蝸桿蝸輪機構嚙合表面的粗糙度、潤滑情況等有關，而且與減速器的工作條件（有無相對速度及相對速度的大小，輪齒嚙合部位的接觸壓力等）有關，摩擦角β會隨著工作條件和自身狀態的改變而改變，而嚴重的磨損也會造成導程角變大，以及振動和安裝造成的軸線偏離，有可能造成自鎖的失效[5]。

行星齒輪機構占用空間小、傳動平穩，效率高。行星齒輪裝配在一個可以自由轉動的行星桿上，能夠圍繞自身的軸線轉動。與此同時，還可以繞著行星桿轉動。行星輪系的傳動效率影響著減速器的整體的效率，傳動效率等于零時行星齒輪機構自鎖[6]。

滑動絲桿傳動采用的是螺紋與螺母傳動，梯形螺紋能極大提高設備的承載能力。梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙型角為30°，牙根強度高、對中性好、結構簡單、造價低，當梯形絲桿螺紋升角 ?小于當量摩擦角ρ′時，梯形絲桿副滿足自鎖要求。

滾珠絲杠是工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件，精度高、效率高，但由于滾珠滾動摩擦力小，滾珠絲杠通常不具有自鎖性能，需要配置自鎖裝置才能滿足要求。常用的自鎖裝置有滾柱自鎖裝置、楔塊自鎖裝置、滑塊自鎖裝置[7]。

梯形絲桿傳動與滾珠絲桿傳動性能對比如表1 所示。

表1 梯形絲桿傳動與滾珠絲桿傳動性能對比Tab.1 Performance comparison between trapezoidal screw and ball screw

深海用電動缸可靠性需要放在第一位。深潛設備空間有限，電動缸設計需要結構緊湊；深海環境，電動缸散熱沒有問題。綜合分析，電動缸采用具有自鎖性能的梯形絲桿副作為傳動部件。電機配套大功率力矩電機，即可滿足大功率推力的輸出，也滿足速度及控制反饋要求。

2 梯形絲桿設計校核

1）梯形絲桿副螺紋參數計算

梯形絲桿螺紋中徑應滿足如下條件：

其中：ξ的值梯形螺紋ξ=0.8；ψ的值整體式螺母取ψ=1.2～2.5；F值為軸向載荷，為推桿推力及海水壓力總和；[p] 為梯形絲桿材料的許用壓強。許用壓強[p]的值，在載荷作用下移動的動聯接，使用和制造情況良好，齒面經熱處理后，取值為10～20 MPa。

根據計算螺紋中徑，按照GB/T 5 796 選取推薦第一系列公稱直徑d，選取優先系列螺距p。計算獲得配合螺母高度H=ψd2，旋合圈數

2）梯形絲桿自鎖驗算

驗算應滿足自鎖條件：

3）計算驅動扭矩

驅動轉矩值：

計算結果供電機選型參考。

4）梯形滑動絲桿傳動效率

5）梯形絲桿副材質確定

一般國內梯形絲桿普通材料采用40 Cr，不銹鋼采用SUS304 或SUS316，螺母材料采用鋁青銅。由于執行往復機構理論上存在液體滲漏，因此，梯形絲桿雖然位于設備內部，但依然需要考慮海水滲入后，材料的防腐性能。

對比表2 幾種鋼材性能，普通材質中，40 Cr 的物理性能優良，對應不銹鋼材質，304 和316 都偏軟，因此，深海電動缸內梯形絲桿選用2 205 雙相不銹鋼，其各項物理指標均超過普通不銹鋼，與40 Cr 接近。螺母材料選用更耐磨的ZCuSn5Pb5Zn5 錫青銅。

表2 幾種鋼材質性能對比Tab.2 Performance comparison of several steel materials

3 往復動密封設計

推桿往復密封采用接觸式密封件密封。密封件通過彈性變形跟隨滑動表面因粗糙度、形狀公差引起的密封間隙變化，以及因負載變化使推桿與電動缸體變形而產生的密封間隙變化，以阻塞泄漏通道[8]。密封件需要選擇彈性好，又耐磨的材料。彈性較好的材料（如硬度較低的橡膠）耐磨性往往較差，密封件的彈性與耐磨性之間有一定的矛盾，設計采用以下解決方案：

1）結構組合的密封件產品

由一個零件實現彈性（施加預緊力）功能，另一個零件實現耐磨功能的組合密封件。彈性可由O 形密封圈等橡膠件實現，耐磨功能則由填充聚四氟乙烯或增強聚氨脂等實現。典型產品如斯特封，該產品泄漏小、摩擦力較小、動態響應好。

2）材料組合的密封件產品

在一種基本材料中加入各種材料成分。聚四氟乙烯摩擦系數很小，約為0.02～0.04，化學穩定性及耐高低溫性都很好，但其耐磨性差，剛性差（在低負荷時有形變傾向），熱膨脹系數大。為改善其性能，可加入固體潤滑劑石墨和二硫化鉬，增加自潤性，減少磨耗；加入青銅粉，增加剛性、散熱性、耐磨性；加入短玻璃纖維，提高耐磨性、耐擠壓性和尺寸穩定性。

3）特殊截面形狀的密封件產品

如針對單向密封，設計有Y 型圈、單向斯特封等相應的截面形狀，使密封件因單向液體壓力，更貼服于推桿表面，推桿運行時，有利于阻止液體滲漏，減小摩擦力。

組合使用密封件產品，推桿可采用多個密封件組合方式實現串聯密封。如2 個斯特封，或一個斯特封加一個Y 形圈或U 形圈（斯特封裝在缸內側）。有實驗證實，在一定條件下，串聯密封結構（用2 個密封件）的摩擦不大于用單一密封圈的摩擦。

電動缸推桿往復動密封采用階梯圈（斯特封）組合Y 形圈密封方式，如圖1 所示。斯特封的滑動環為PTFE 加40% 青銅組成，O 形圈為邵氏硬度約70 的NBR 丁腈橡膠。斯特封具有高的耐化學介質腐蝕特性，適合應用于海水介質。斯特封具有極小的起動和運動磨檫力，在低速下也可保證平穩運動，無爬行現象。Y 形圈為邵氏硬度為93 的PU 聚氨酯材料唇形密封件，截面不對稱，內密封唇縮進，外徑過盈配合的密封圈。如圖2 所示。

圖1 動密封結構示意圖Fig.1 Structure diagram of moving seal

圖2 選用的往復密封件示意Fig.2 Schematic diagram of selected reciprocating seals

斯特封處于0.6～1.5 MPa 低水壓時會出現密封不穩定的情況[9]，而Y 形密封圈根部、上端開口處、內唇唇口、密封圈與活塞軸接觸區域較易發生失效[10]，斯特封Y 形圈組合相互彌補，能有效地加強深海電動缸往復密封的可靠性。

由于水的潤滑性較差，密封件與運動部件的接觸部位不便添加潤滑劑，深海高壓下接觸面產生較大的滑動摩擦力使密封圈的接觸面受到剪切應力作用，接觸面的摩擦和磨損會相對嚴重，使得密封件的使用壽命大大降低[11]。

提供往復密封可靠性，除了上述方法外，改變推桿材質也可以降低密封件與推桿之間的摩擦力。由于推桿的強度要求，推桿基體材質不變，選擇在推桿基體材質表面熱噴涂一定厚度的金屬氧化物涂層，即陶瓷涂層，使得推桿具有高化學穩定性、高硬度、高剛度、低磨擦系數等特點[12]。

推桿噴涂前，需先預熱，基體表面先噴涂NiCr基或NiCrAl基熱噴涂用復合粉末混合物作為粘結底層過渡，以提高陶瓷層與基體之間的結合強度。噴射的粉末是幾種金屬氧化物的混合物，一般典型成分為氧化鉻（Cr203）和氧化欽（Ti02）的混合物，也使用氧化鋁（A1203）和氧化錯（Zr02），氧化鈣（CaO）的混合物，或使用氧化鋁（A1203）和氧化欽（Ti02）的混合物等。噴涂采用火焰加熱法或等離子弧加熱法。噴涂厚度大于0.2 mm，涂層硬度可達850～1 000 HV。采用樹脂類封孔劑、石蠟等封孔劑封孔處理，阻止腐蝕介質滲透到涂層與基體的結合界面。最后按推桿尺寸要求進行磨削、精研和拋光。精磨砂輪磨料可采用立方氮化硼、碳化硼、人造金剛石等，粒度控制在150#～240#，精磨后表面粗糙度可達Ra0.2μm，拋光輪拋光后表面粗糙度可達Ra0.1μm。

4 有限元應力與應變分析校核

深海電動缸設計尺寸及重量都有相應限制，設計需要保證在最有限尺寸條件下，實現電動缸功能。深海電動缸本身是一個施力和受力的元件，在設計過程中，各零件的強度及變形是否滿足海水壓力及設計推力要求至關重要。通過SolidWorks 軟件對電動缸進行設計和三維建模，設計過程中，應用SolidWorks SimulationXpress 插件可對設計零件進行實時應力與應變分析校核，發現問題可以及時修改，提高設計效率。

SolidWorks SimulationXpress 采用靜力學有限元分析，將復雜物體分成簡單的，有限多個的小四面體，計算機在簡單的小四面體上計算出結果后，反向疊加，就可以生成復雜結構的應力分析結果[13]。

SolidWorks SimulationXpress 模型分析的關鍵步驟：

創建算例->選用材料->添加約束->施加載荷->劃分網格->運行分析->分析結果。

SolidWorks SimulationXpress 會提供受力后的動態應變圖，并提供仿真后應力及應變分布圖，非常直觀。如果計算結果在規律上明顯錯誤，或者與實際模型明顯不符，則需要檢查改進分析方案，重新進行分析。

推桿承受30 kN 推力或拉力，以及伸出部分承受4.5 MPa 水壓時的應力分布及結構應變仿真分析，如圖3 所示。仿真校核結果顯示，最大應力變化比設計材料屈服強度小一個數量級，設計材質強度滿足要求；最大應變，特別是推桿外徑受水壓的變化約0.005 mm，在組合密封件要求推桿加工公差范圍內，不影響往復密封性能。

圖3 推桿受力時應力及應變仿真分析結果Fig.3 Simulation analysis results of stress and strain of push rod under force

執行機構與電機外殼承受海水壓達4.5 MPa 時的進行仿真受壓分析，如圖4 所示。

圖4 執行機構與電機外殼應力及應變仿真分析結果Fig.4 Simulation analysis results of stress and strain of actuator and motor shell

仿真校核結果顯示，執行機構外殼承受海水壓最大應力變化比設計材料屈服強度小一個數量級，設計強度足夠，最大形變雖已達0.023 mm，但外殼變形不影響內部傳動機構工作，設計外殼可滿足更大水壓要求。電機外殼承受海水壓最大應力已至設計材料許用屈服強度的一半，最大形變達0.03 mm，依然不影響電機的安裝及工作，設計滿足要求。

5 結 語

適用于深海的電動缸，設計著眼于設備的可靠性，采用傳動結構滿足自鎖要求，梯形絲桿副計算校核性能滿足傳動要求。電動缸推桿采用熱噴陶技術結合組合式往復密封設計，保障了電動缸深海往復密封的可靠性。電動缸關鍵零件應力和應變通過了三維有限元分析仿真校核。

最終電動缸成品通過了性能測試和適應性試驗，包括15 min 外殼強度試驗，15 min 靜密封試驗，以及不同水壓下多次電動缸推桿動密封試驗，電動缸承載單機試驗及系統聯調試驗。試驗結果均顯示設備滿足預期設計要求。